Was ist ein Brennstoffzellenflugzeug: 11 interessante Fakten, die Sie wissen sollten

Was ist ein Brennstoffzellenflugzeug?

Wasserstoff-Brennstoffzellen-Flugzeug

Die Luftfahrtindustrie hat intensiv versucht, in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch umweltfreundlich zu werden. Es werden umfangreiche Studien und Analysen durchgeführt, um Wasserstoff als praktikable Alternative zu identifizieren. Konzeptentwürfe und Modelle wurden von einigen der führenden Luftfahrtunternehmen demonstriert, daher ist es wichtig, dass wir uns mit ihrer Forschung auf den neuesten Stand bringen. Beginnen wir mit der Terminologie 'Fuel Cell Aircraft'.

Ein Flugzeug, das Wasserstoff als Hauptenergiequelle verwendet, wird als Brennstoffzellenflugzeug bezeichnet. Entweder ein Strahltriebwerk oder eine andere Art von Verbrennungsmotor kann Wasserstoff verbrennen oder sie zum Antrieb einer Brennstoffzelle verwenden, um Strom für einen Propeller zu erzeugen. Im Gegensatz zu den meisten Flugzeugen, die Treibstoffspeicherflügel verwenden, werden Wasserstoff-Brennstoffzellenflugzeuge typischerweise im Rumpf in Wasserstofftanks entwickelt.

Was ist Wasserstoff-Brennstoffzelle?

Wasserstoff-Brennstoffzelle

Hier ist eine wichtige Technologie mit Potenzial, das eine Bandbreite bietet der Industrien, einschließlich Automobil- und Schwerlastgetriebe, erhebliche Energieeffizienz und Dekarbonisierungsvorteile. Heutzutage wird die Wasserstoff-Erdöl-Technologie für verschiedene Zwecke eingesetzt, darunter die Bereitstellung von Notfall-Backup-Kapazität für kritische Einrichtungen wie Krankenhäuser und der Ersatz von Netzstrom für wichtige Lasteinrichtungen wie Rechenzentren.

Können Wasserstoff-Brennstoffzellen in Flugzeugen eingesetzt werden? | Verwenden Flugzeuge Brennstoffzellen? ?

In naher Zukunft könnte potenziell alles von kohlenstoffarmen städtischen Gebieten über tragbare Computer bis hin zu zukünftigen emissionsfreien Brennstoffzellenflugzeugen angetrieben werden. Verschiedene Forschungsstudien haben gezeigt, dass der Bau großer kommerzieller Wasserstoff-Brennstoffzellenflugzeuge innerhalb des Jahres 2020 praktikabel ist. Allerdings wird es voraussichtlich erst um das Jahr 2030 in Dienst gestellt. Das Interesse, Brennstoffzellen-Flugzeuge als Privatflugzeug einzusetzen, ist in naher Zukunft gewachsen.

Im europäischen Forschungsprojekt wurden die technische und mechanische Machbarkeit, Sicherheitsaspekte, Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit des Einsatzes von flüssigem Wasserstoff (H2) als Flugkraftstoff in Kooperation mit Airbus gemeinsam mit 33 Partnerorganisationen in einem Treibstoff bewertet Zellenflugzeug und als CRYOPLANE bezeichnet, wurde im Jahr 2003 ein ausführlicher Bericht veröffentlicht.

Wie ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle entstanden?

Geschichte der Wasserstoff-Brennstoffzelle

Sir William Grove, ein Richter, der zum Wissenschaftler wurde, entwickelte 1838 eine einzigartige Idee: eine Zelle mit zwei unabhängigen abgedichteten Kammern zu bauen, die jeweils mit Wasserstoff- oder Sauerstoffgas betrieben werden. Er nannte sein Gerät damals „Gasvoltaik-Batterie“. Leider erzeugte es nicht genug Strom, um nützlich zu sein. Nach einiger Zeit interessierte sich der englische Ingenieur Francis Thomas Bacon dafür und realisierte 1932 die weltweit erste Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, aus der heute das Konzept des Brennstoffzellenflugzeugs entsteht. Die Brennstoffzelle von Bacon wurde ein Erfolg in der Raumfahrtindustrie, wo sie zum Antrieb von Satelliten und Raketen für Weltraumforschungsoperationen wie Apollo 11 verwendet wurde.

Im Februar 1957 wurde eine NACA Martin B-57B experimentiert und 20 Minuten lang mit Wasserstoff anstelle von Düsentreibstoff für eines ihrer beiden Wright J65-Triebwerke geflogen. Die Tu-155, ein aufgerüstetes Verkehrsflugzeug Tu-154, flog erstmals am 15. April 1988 als erstes wasserstoffbetriebenes Brennstoffzellen-Versuchsflugzeug.

Boeing Wasserstoff-Brennstoffzellen-Flugzeug | Boeing Brennstoffzellenflugzeug

Boeing produzierte und betrieb 2008 das weltweit erste wasserstoffbetriebene Flugzeug. Beim Start und im Steigflug wurden die Brennstoffzellen des Einpersonenflugzeugs mit Strom aus Lithium-Ionen-Batterien ergänzt. Das Phantom Eye (zur Durchführung von viertägigen Aufklärungsmissionen in 20,000 Metern Höhe), ein mit flüssigem Wasserstoff betriebenes unbemanntes Fluggerät, wurde vier Jahre später vorgestellt. Boeing konnte das UAV jedoch nicht an das Militär verkaufen, und es wird jetzt in einem Museum nur als mit flüssigem Wasserstoff betriebenes Luftfahrzeug ausgestellt.

Brennstoffzellen-Blasen für Flugzeuge

Warum ersetzen Brennstoffzellen Düsentriebwerke nicht?

Die Verwendung von Wasserstoff als Flugzeugtreibstoff hat Boeing mit seinem Konzept des Phantom Eye gezeigt. Mike Sinnett (VP, Product Development, Boeing Aviation) kommentierte jedoch, dass zusätzliche Forschung erforderlich ist, um den Faktor Sicherheit zu bewerten, damit die Struktur und die Treibstofftanks eines Flugzeugs so sicher wie heutige Verkehrsflugzeuge funktionieren.

Dies impliziert also, dass der Wasserstoff-Treibstoff in Brennstoffzellenflugzeugen von Boeing in mehr als zwei Jahrzehnten nicht verwendet wird und dass Triebwerke für Flugzeuge in einem Jahrzehnt bereits gebaut werden.

Entwicklung von Phantom Eye

Das Phantom Eye entwickelte Boeings frühere Errungenschaft mit der kolbengetriebenen Boeing Condor, die in den späten 1980er Jahren mehrere Höhen- und Ausdauerrekorde aufstellte. Boeing arbeitete auch an dem Phantom Ray UAV als fliegendem Teststand für innovative Technologien sowie an einem größeren unbemannten Fluggerät HALE, das über zehn Tage fliegen und Nutzlasten von 900 Kilogramm oder mehr tragen kann.

Das Antriebssystem des Phantom Eye (entwickelt in Verbindung mit dem Antriebssystem und der Flugzelle) hat am 80. März 1 einen 2010-Stunden-Höhenkammertest bestanden.  Ball Aerospace, Aurora Flight Sciences, Ford Motor Company und MAHLE Powertrain arbeiteten gemeinsam an der technologischen Weiterentwicklung, um das Phantom Eye zu entwickeln, das schließlich am 12. Juli 2010 vorgestellt wurde.

Darryl Davis, der Leiter der Abteilung für fortschrittliche Ideen bei Boeing bei Phantom Works, ist der Ansicht, dass der „Phantom Eye Demonstrator“ ein 60-70 % genaues Modell eines Objektivsystems im Maßstab ist. Mit nur vier Ebenen könnte der Phantom Eye-Prototyp zu einem Objektivsystem führen, das in der Lage ist, das ganze Jahr über einen großen Bereich abzudecken.

Wie wird die Wasserstoff-Brennstoffzelle funktionieren?

Eine herkömmliche Wasserstoff-Brennstoffzelle für ein Brennstoffzellen-Flugzeug besteht aus zwei Elektroden (einer Anode und einer Kathode), die durch eine elektrolytische Membran getrennt sind. Dies funktioniert wie folgt:

1. Wasserstoff tritt in die Brennstoffzelle durch die Anode ein. Elektronen und Protonen entstehen durch Teilung von Wasserstoffatomen aufgrund ihrer Reaktion mit einem Katalysator. Die Kathode hingegen lässt Sauerstoff aus der angrenzenden Luft eintreten.
2. Die positiv geladenen Protonen wandern durch die durchlässige Elektrolytmembran zur Kathode. Die negativ geladenen Elektronen treten aus der Zelle aus und liefern einen Strom, der ein elektrisches oder hybridelektrisches Antriebssystem mit Strom versorgen kann.
3. Protonen und Sauerstoff verbinden sich in der Kathode zu Wasser.

Eigenschaften von Wasserstoff

Die spezifische Energie von Wasserstoff ist dreimal so hoch wie die von gewöhnlichem Kerosin, obwohl er eine geringere Energiedichte hat. In Flugzeugen werden Kohlefasertanks eingesetzt, die einem Druck von 700 bar standhalten. Es ist auch möglich, kryogenen flüssigen Wasserstoff zu verwenden.

Angenommen, Wasserstoff ist aus kohlenstoffarmen Energiequellen wie Wind oder Kernkraft leicht verfügbar. In diesem Fall wird es weniger Treibhausgase emittieren, darunter Wasserdampf und eine geringe Menge Stickoxide in Flugzeugen als in den bisherigen Fällen. Derzeit nur eine geringe Menge H₂ wird unter Verwendung einer kohlenstoffarmen Energiequelle hergestellt, und es gibt verschiedene erhebliche Hindernisse für die Verwendung von Wasserstoff in Flugzeugen. Der Wasserstoff ist aufgrund seines Herstellungsverfahrens und seiner relativen Ineffizienz mit aktuellen Technologien teurer als fossile Brennstoffe.

Die LH₂ ist eines der effektivsten technischen Kühlmittel. Es wurde vorgeschlagen, die Ansaugluft für sehr schnelle Flugzeuge oder sogar die Außenhaut des Flugzeugs selbst zu kühlen, insbesondere für die Scram-Jet-Flugzeuge.

Gewicht und Energiedichte

Ob gasförmig oder flüssig, das zusätzliche Gewicht für die Brennstoffspeicherung ist die Haupthürde für den wasserstoffbetriebenen Flug in Brennstoffzellenflugzeugen. Das Thema für flüssigen Wasserstoff wird es sein, leichte vakuumisolierte Tanks herzustellen, die flüssigen Wasserstoff unter seinem Siedepunkt von 20 Kelvin halten. Da die Tanks hohen Drücken von 250 bis 350 bar standhalten müssen, hat Gas einen höheren Gewichtsnachteil.

Die Energiedichte von flüssigem Wasserstoff ist 2.8-mal höher als die von Flugbenzin. Laut Argonne National Laboratory übertrifft Flugkraftstoff jedoch Wasserstoff um den Faktor 1.6 in Bezug auf das kombinierte Treibstoff- und Tankgewicht. Anders als Flugbenzin, das rund 78 % des Gesamtgewichts von Tank und Treibstoff ausmacht, macht Flüssigwasserstoff in modernen Speichern nur 18 % des Gesamtgewichts aus. Es wird behauptet, dass der Kraftstoffgewichtsanteil mindestens 28% erreichen muss, um mit fossilen Brennstoffen konkurrieren zu können. Flüssiger Wasserstoff hat eine viel geringere Energie pro Volumeneinheit als Kohlenwasserstoffe.

Laut Phillip Ansell, Direktor der University of Illinois am Urbana-NASA-finanzierten Champaign's Center for High-Efficiency Electrical Technologies for Aircraft, können jedoch verschiedene Teile des Flugzeugs wie die Tragflächen und der Rumpf einzeln oder gemeinsam modifiziert werden, um den Erhöhung des aerodynamischen Widerstands, resultierend aus der zusätzlichen Außenfläche, die erforderlich ist, um größere Wasserstofftanks aufzunehmen.

Vorteile der Wasserstoff-Brennstoffzelle

Brennstoffzellen (die reinen Wasserstoff verwenden und daher kohlenstofffrei sind) sind eine saubere Energiequelle, da sie durch eine elektrochemische Reaktion Strom erzeugen. Im Folgenden sind einige weitere wichtige Vorteile von Brennstoffzellen aufgeführt:

1. Brennstoffzellen müssen im Gegensatz zu Batterien nicht aufgeladen werden und können weiterhin Energie erzeugen, solange eine Brennstoffquelle (Wasserstoff) verfügbar ist.
2. Einzelne Brennstoffzellen können „gestapelt“ werden, um größere Systeme zu schaffen, die mehr Leistung erzeugen können, was Skalierbarkeit ermöglicht. Brennstoffzellenstapel können zu großen Multi-Megawatt-Systemen gekoppelt werden, während eine einzelne Brennstoffzelle ausreichend Strom erzeugen kann, um eine bestimmte Anwendung zu ermöglichen.
3. Brennstoffzellen sind leise und zuverlässig, da sie keine beweglichen Teile haben.

Ist Wasserstoff ein brauchbarer Treibstoff für Flugzeuge?

Airbus hat drei einzigartige Konzepte für Wasserstoff-Brennstoffzellen-Flugzeuge entwickelt, die bis zu 200 Passagiere befördern und eine Reichweite von bis zu 2000 Seemeilen (3700 Kilometer) abdecken. Jeder von ihnen besteht aus einem konzeptionellen Hybridsystem, das Verbrennungsturbinen und brennstoffzellenbetriebene Motoren enthält. In einem turboelektrischen System treibt eine wasserstoffbetriebene Gasturbine einen elektrischen Generator an, während ein Elektromotor den Lüfter antreibt.

Airbus plant, seine zukünftigen Langstreckenflugzeuge mit 300 bis 400 Sitzplätzen mit synthetischen Kraftstoffen aus erneuerbaren Quellen anstelle von Wasserstoff anzutreiben. Die Anpassung von Wasserstoff an Flugzeuge, die mehrmals täglich entleert und wieder aufgefüllt werden, wird für das Unternehmen eine neue Herausforderung, auch wenn es bereits Erfahrung mit dem Treibstoff in Luft- und Raumfahrtanwendungen hat.

Reparatur von Flugzeugbrennstoffzellen | Wartung von Flugzeugbrennstoffzellen

Das Verschütten von Treibstoff auf dem Boden des Flugzeugs ist normalerweise das erste Anzeichen für ein Leck. Bei der Suche nach der Quelle des Lecks ist zu beachten, dass Kraftstoff eine ziemlich lange Strecke zurücklegen kann, bevor er eine Austrittsstelle erreicht. Daher kann es schwierig sein, die Quelle des Lecks zu lokalisieren. Vor jedem Verdacht muss man dem Leckpfad folgen, ohne davon auszugehen, dass sich die leckende Brennstoffzelle in unmittelbarer Nähe des sichtbaren Lecks befindet.

In den Anschlüssen, Schläuchen und Entlüftungsbereichen sollten Undichtigkeiten überprüft werden. Es ist auch erwähnenswert, dass nur weil eine Brennstoffzelle undicht ist, kein Austausch notwendig ist. An einer Brennstoffzelle gibt es einige Lecks, die repariert werden können, wie:

1. Schlauchschellen sind zu locker
2. Die Schrauben am Sender sind locker.
3. Fehlerhafte Dichtungen
4. Schrauben mit loser Platte oder Einfüllstutzen
5. Der Einfüllstutzen oder Schlauch weist Risse auf.

Doppelklemmende Brennstoffzellenverbindungen vermeiden Lecks in älteren Zellen, sind aber auch für neuere Zellen mit großen Verbindungen nützlich. Nach dem Anziehen der Klemmen setzt sich der Gummi ab. Daher empfiehlt es sich, eine Stunde nach der Erstinstallation alle Klemmen nachzuziehen.

Brennstoffzellen-Band für Flugzeuge

Untersuchen Sie den Bereich um den Brennstoffzellenschacht auf Korrosionsverlust. Entfernen Sie alle Klebebandreste und Rückstände. Mit MEK lassen sich Klebebandreste einfach entfernen. Entfernen Sie alle FOD, insbesondere Metallspäne, die eine neu installierte Brennstoffzelle schnell beschädigen können.

Achten Sie darauf, beim Kleben des Liners Brennstoffzellen-Klebeband zu verwenden. Die Eignung von Klebeband oder Isolierband rechtfertigt nicht den Ersatz von Brennstoffzellenband. Das Klebeband und der Klebstoff, die in der Brennstoffzelle verwendet werden, sind im Falle eines Kraftstoffaustritts bemerkenswert intakt, in dieser Situation funktionieren Klebeband, Isolierband und andere Klebebänder nicht.

Alle Nieten und Kanten sollten mit Brennstoffzellenband abgeklebt werden. Das Arbeiten mit kurzen Abschnitten des Klebebands (etwa 6 cm lang) ist normalerweise einfacher als das Arbeiten mit langen Abschnitten, insbesondere wenn das Kleben in schwer zugänglichen Bereichen blind erfolgt. An schwierigen Orten kann dir ein Spiegel auch helfen, zu sehen, was du tust.

Brennstoffzellen-Reiniger für Flugzeuge

Schrubben Sie den verbleibenden Kraftstoff aus der Brennstoffzelle, bevor Sie ihn für den Versand verpacken. Die Brennstoffzelle sollte gemäß Hartwig Aircraft Fuel Cell Repair mit warmem Wasser und flüssigem Spülmittel gereinigt werden. Nach dem Reinigungs- und Trocknungsprozess muss die Zelle gefaltet und verpackt werden, um sie an die Reparaturwerkstatt zu schicken. Vor dem Versand fügen einige Mechaniker der Zelle einen Ölfilm hinzu, um die Zelle zu konservieren. Eagle Fuel Cells rät davon dringend ab, da es nicht erforderlich ist, die Zelle mit zusätzlichem Arbeitsaufwand mit Öl zu beschichten.

Schweißen von Flugzeugbrennstoffzellen | Schweißen von Aluminiumbrennstoffzellen für Flugzeuge

Der gängige Autogenbrenner (Oxy-Fuel-Schweißen oder OFW) ist ein wichtiges Standbein im Aluminium-Fügeprozess. In den 1850er Jahren wurde durch Elektrolyse erzeugter Knallgas zum Flammschweißen von Metallen mit niedrigen Schmelzpunkten wie Gold, Silber, Kupfer und Platin verwendet. Die Entdeckung von Acetylen ist bemerkenswert, da sie mit der Suche nach einer neuen Methode zur Herstellung von Aluminiummetall verbunden war.

In der Flugzeugindustrie wird Knallgas häufiger mit OFW verknüpft als Sauerstoffacetylen, jedoch nicht wegen eines technischen Vorteils. Acetylen wurde aus Kriegsgründen ausdrücklich für den Werfteinsatz rationiert, so dass Wasserstoff als einzige Alternative übrig blieb. Da das Mischen von Acetylenresten mit Wasserstoffgas zu einer versehentlichen Katastrophe führen kann, erfordert die Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff einen ganzen separaten Tank, Regler, Schlauch und Brenner.

Darüber hinaus erzeugt Wasserstoff keinen Ruß, der als Temperaturindikator beim Glühen von Aluminiumblechen nützlich sein könnte. Die Kosten der Brennstoffherstellung (mit einer machbaren Elektrolyseanlage) und ein etwas saubereres Aussehen der Schweißzone (wegen des Fehlens von Kohlenstoff im Flammenbereich) können Vorteile von Wasserstoff sein.

Wie lange ist die Brennstoffzelle haltbar?

Haltbarkeit von Flugzeugbrennstoffzellen

Die Mehrheit der heute eingesetzten Flugzeuge hat ihr vorgesehenes Designleben überlebt. Viele dieser Flugzeuge haben eine oder mehrere Änderungen an der Flugzeugzelle oder Avionik erfahren. Die Lebensdauer einer Brennstoffzelle wird hingegen häufig übersehen, weil sie in zahlreichen Regierungsdokumenten, Flugzeughandbüchern oder Flugzeug-TOs nicht enthalten ist.

Die entscheidenden variierenden Faktoren zwischen den Flotten umfassen die Flugstunden, die Umgebungsbedingungen sowie die Aus- und Wiedereinbauzyklen. Dadurch ist eine Vorhersage der Lebensdauer einer Brennstoffzelle unmöglich. Überholte, überholte oder überholte Brennstoffzellen sind nicht möglich. Die Darstellung solcher Brennstoffzellen ist falsch.

Wir können jedoch sagen, dass jede Brennstoffzelle, die älter als 15 Jahre in einem Brennstoffzellenflugzeug ist, auf einen Ersatz hin untersucht werden sollte. Dies ist besonders wichtig, wenn das Flugzeug größeren Änderungen unterzogen wird, die das Entfernen der Zelle erforderlich machen. Hervorzuheben ist, dass die US-Streitkräfte je nach Flugzeugprogramm zu dem Schluss gekommen sind, dass die typische Nutzungsdauer 10 bis 12 Jahre betragen sollte. Im Allgemeinen sind umfangreiche Reparaturen an einer Brennstoffzelle, die älter als 12 Jahre ist und voraussichtlich länger als 12 Monate im Einsatz bleibt, Geldverschwendung.

Was ist der Treibstoff der Zukunft für Flugzeuge?

Aufstrebender Flugtreibstoff

Die Vorteile von Wasserstoff sind in letzter Zeit ans Licht gekommen und die Luftfahrtindustrie wird darauf aufmerksam. Airbus will laut Fymat das weltweit 1^st  ein emissionsfreies kommerzialisiertes Flugzeug bis 2035.

Quellen zufolge will ZeroAvia, ein US-amerikanisches Unternehmen, bis 20 ein Wasserstoff-Brennstoffzellen-Flugzeug für etwa 2024 Passagiere produzieren. Es hat sich bereits 5 Millionen US-Dollar an Subventionen aus drei britischen Regierungsprogrammen gesichert und hat erfolgreich das Interesse von 12 regionalen Fluggesellschaften geweckt aus Großbritannien, den USA und der Europäischen Union.

Nachdem Sie nun etwas über Wasserstoff als zukünftigen Flugkraftstoff erfahren haben, können Sie sich jetzt über das Speichersystem des Kraftstoffs informieren. Kraftstofftanksystem für Flugzeuge.

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Esha Chakraborty

Ich habe einen Hintergrund in der Luft- und Raumfahrttechnik und arbeite derzeit an der Anwendung von Robotik in der Verteidigungs- und Weltraumwissenschaftsindustrie. Ich lerne kontinuierlich und meine Leidenschaft für kreative Künste motiviert mich dazu, neuartige technische Konzepte zu entwerfen.
Da Roboter in Zukunft fast alle menschlichen Handlungen ersetzen werden, möchte ich meinen Lesern die grundlegenden Aspekte des Themas auf einfache, aber informative Weise vermitteln. Außerdem möchte ich mich gleichzeitig über die Fortschritte in der Luft- und Raumfahrtindustrie auf dem Laufenden halten.